Plan du chapitre. I. Limites usuelles — II. Opérations sur les limites — III. Limites des polynômes et des fonctions rationnelles — IV. Limites des fonctions trigonométriques — V. Limite et ordre — VI. Détermination graphique des limites — VII. Définition mathématique de la limite — Résumé.
Prérequis. Fonctions numériques (Ch. 04), calcul algébrique, ordre dans R, trigonométrie (Ch. 08). La continuité et la dérivation ne sont pas encore étudiées : elles ne sont pas utilisées ici.
I. Limites usuelles
1) Activité d’introduction
Activité 1
Compléter un tableau de valeurs de x2, x3, x et x1 pour x∈{1;10;102;103;106}.
Que deviennent ces nombres lorsque x prend des valeurs de plus en plus grandes ? Et x1 lorsque x s’approche de 0 en restant positif, puis négatif ?
Voir la solution
Par exemple pour x=106 : x2=1012, x3=1018, x=103, x1=10−6.
x2, x3, x deviennent aussi grands que l’on veut : on dit qu’ils tendent vers +∞ quand x tend vers +∞ ; x1 s’approche de 0. Quand x s’approche de 0 par valeurs positives, x1 devient aussi grand que l’on veut (+∞) ; par valeurs négatives, il tend vers −∞.
2) Limites usuelles
Propriété 1 : limites usuelles (admises)
Soit n∈N∗.
x→+∞limxn=+∞ ; x→−∞limxn=+∞ si n est pair, −∞ si n est impair ; x→+∞limx=+∞.
x→0+limxn1=+∞ ; x→0−limxn1=+∞ si n est pair, −∞ si n est impair ; x→0+limx1=+∞.
Pour tout a∈R et tout c∈R : x→alimc=c et x→alimx=a.
3) Limite à droite, limite à gauche
Définition 1
Soit f une fonction définie sur un intervalle de la forme ]a;a+r[ (resp. ]a−r;a[), r>0. On note x→a+limf(x) (resp. x→a−limf(x)) la limite de f à droite (resp. à gauche) en a.
Propriété 2
f admet la limite ℓ en a si et seulement si x→a+limf(x)=x→a−limf(x)=ℓ. En particulier, si les limites à droite et à gauche en a sont différentes, f n’admet pas de limite en a.
Remarque 1 : conditions d’existence
Pour parler de limx→af(x), il faut que f soit définie au voisinage de a (sauf peut-être en a), par exemple sur ]a−r;a[∪]a;a+r[ ; pour limx→+∞f(x), il faut que f soit définie sur un intervalle ]B;+∞[.
Exemple 1
Soit f définie par f(x)=x−5 si x>4 et f(x)=x−5+x1 si x<4, x=0. Étudier la limite de f en 4.
Voir la solution
x→4+limf(x)=2−5=−3 et x→4−limf(x)=−1+41=−43. Ces limites sont différentes : f n’admet pas de limite en 4.
II. Opérations sur les limites
1) Tableaux d’opérations
Propriété 3 : somme, produit, quotient (admise)
ℓ et ℓ′ désignent des réels ; les limites sont prises au même point (a, a± ou ±∞).
limf
ℓ
ℓ
+∞
−∞
+∞
limg
ℓ′
±∞
+∞
−∞
−∞
lim(f+g)
ℓ+ℓ′
±∞
+∞
−∞
F.I.
limf
ℓ
ℓ=0
±∞
0
limg
ℓ′
±∞
±∞
±∞
lim(f×g)
ℓℓ′
±∞ (règle des signes)
±∞ (règle des signes)
F.I.
limf
ℓ
ℓ
ℓ=0
±∞
±∞
0
limg
ℓ′=0
±∞
0+ ou 0−
ℓ′
±∞
0
limgf
ℓ′ℓ
0
±∞ (signes)
±∞ (signes)
F.I.
F.I.
Propriété 4 : racine carrée et valeur absolue
Si f≥0 au voisinage du point et limf=ℓ≥0, alors limf=ℓ ; si limf=+∞, alors limf=+∞. Si limf=ℓ, alors lim∣f∣=∣ℓ∣.
Remarque 2 : les quatre formes indéterminées
+∞−∞, 0×∞, ∞∞ et 00. Pour « lever » l’indétermination : factorisation (par x−a ou par le terme dominant), identités remarquables, expression conjuguée, changement de variable, encadrement.
2) Exemples
Exemple 2 : formes déterminées
Calculer x→+∞lim(x21+x1+x) et x→2+lim2−x4.
Voir la solution
La première est 0+0+(+∞)=+∞. Pour la seconde : 2−x→0−, forme 0−4, la limite est −∞.
III. Limites des polynômes et des fonctions rationnelles
Propriété 5
Soient P et Q deux polynômes, a∈R avec Q(a)=0.
x→alimP(x)=P(a) et x→alimQ(x)P(x)=Q(a)P(a).
En ±∞, un polynôme a la même limite que son terme de plus haut degré ; une fraction rationnelle a la même limite que le quotient des termes de plus haut degré du numérateur et du dénominateur.
Exemple 4
Calculer x→−∞lim(x2−3x5+1) et x→+∞limx2+x3−1−x3+3x2−4x+5.
Voir la solution
lim−∞(−3x5)=+∞. lim+∞x3−x3=−1.
Remarque 3 : forme ax2+bx+c±(αx+β)
Si a=∣α∣ (forme indéterminée), on multiplie par l’expression conjuguée ; sinon on factorise par x sous la racine en utilisant x2=∣x∣.
IV. Limites des fonctions trigonométriques
Propriété 6 (admise)
Pour tout a∈R : x→alimcosx=cosa et x→alimsinx=sina ; pour a=2π+kπ (k∈Z) : x→alimtanx=tana.
Pour a=0 : x→0limaxsin(ax)=x→0limaxtan(ax)=1 et x→0lim(ax)21−cos(ax)=21.
Exemple 5
Calculer x→0lim4xsin(3x), x→0limx21−cos(5x) et x→5limx−5tan(x−5).
Voir la solution
43⋅3xsin3x→43 ; 25⋅(5x)21−cos5x→225 ; avec X=x−5→0, XtanX→1.
Attention
Les fonctions cos, sin et tan n’admettent pas de limite en ±∞.
V. Limite et ordre
Propriété 7 (admise)
Soient f, g, h définies au voisinage du point considéré (a, a± ou ±∞), et ℓ∈R.
Si g≤f≤h et limg=limh=ℓ, alors limf=ℓ (« gendarmes »).
Si ∣f−ℓ∣≤u et limu=0, alors limf=ℓ.
Si f≥u et limu=+∞, alors limf=+∞ ; si f≤u et limu=−∞, alors limf=−∞.
Exemple 6
Calculer x→+∞lim(x2+cosx), x→+∞limxsinx et x→+∞limxE(x).
Voir la solution
x2+cosx≥x2−1→+∞, donc la limite est +∞. xsinx≤x1→0 : la limite est 0. Pour x>0 : x−1<E(x)≤x, donc 1−x1<xE(x)≤1 : la limite est 1.
VI. Détermination graphique des limites
Méthode
Sur la courbe d’une fonction : une branche qui se rapproche d’une droite horizontale y=ℓ au voisinage de +∞ traduit lim+∞f=ℓ ; une branche qui « monte » indéfiniment le long de la droite x=a traduit une limite +∞ (à droite ou à gauche) en a. On lit aussi le tableau de variations complété par ces limites.
VII. Définition mathématique de la limite
Définition 2
Soient a,ℓ∈R et f définie au voisinage de a (sauf peut-être en a).
Encadrement (gendarmes), comparaison, partie entière : x−1<E(x)≤x.
Série d’exercices
Remarque — méthodes utilisées
Forme déterminée : on applique directement les opérations sur les limites ; pour une forme 0ℓ (ℓ=0), on étudie le signe du dénominateur au voisinage du point.
Forme indéterminée (∞−∞, 0×∞, ∞∞, 00) : factorisation par (x−a), identités remarquables, expression conjuguée, factorisation par le terme dominant, changement de variable, encadrement.
Trigonométrie : X→0limXsinX=X→0limXtanX=1 et X→0limX21−cosX=21.
Tous les résultats ont été contrôlés avec Python/sympy (build/verif_lot1.py).
Cadre. Toute réponse doit être justifiée. Pour chaque limite, on vérifiera d’abord que la fonction est bien définie au voisinage du point considéré, puis on précisera la forme obtenue (forme déterminée ou forme indéterminée) avant de la lever. Les notions de continuité et de dérivation ne sont pas utilisées dans ce chapitre. Difficulté : de ★ à ★★★★★.
Exercice 1 — Opérations sur les limites (formes déterminées) Facile★☆☆☆☆
Calculer chacune des limites suivantes (dans chaque cas, la variable x est un réel appartenant au domaine de définition de l’expression) :
x→4lim(5x3+2−x3) ;
x→3+limx2−x−6x2+x ;
x→1−limx2−4x+34x−1 ;
x→2+lim2−x3x−7 ;
x→0−limx−x25 ;
x→3−lim9−x21 ;
x→−∞lim(2−x)3(1−3x2) ;
x→0−lim(x41−x31) ;
x→0−lim2−x3 ;
x→−3lim1−5x ;
x→1+lim(x−13x−1−x22).
Voir la solution
1. Forme déterminée : x→4lim(5x3+2−x3)=5×64+2−23=2641.
2.x2−x−6=(x−3)(x+2). Quand x→3+ : x−3→0+ et x+2→5, donc le dénominateur tend vers 0+ ; le numérateur tend vers 12>0. Forme 0+12 : la limite est +∞.
3.x2−4x+3=(x−1)(x−3). Pour x→1− : x−1<0 et x−3<0, donc le dénominateur tend vers 0+ ; le numérateur tend vers 3. La limite est +∞.
4. Pour x→2+ : 2−x→0− et 3x−7→−1. Forme 0−−1 : la limite est +∞.
5.x−x2=x(1−x) ; pour x→0− : x<0 et 1−x>0, donc x−x2→0−. Forme 0−5 : la limite est −∞.
6.9−x2=(3−x)(3+x) ; pour x→3− : 3−x>0, donc 9−x2→0+. La limite est +∞.
7.x→−∞lim(2−x)3=+∞ et x→−∞lim(1−3x2)=−∞ ; le produit tend vers −∞.
8. Pour x→0− : x41→+∞ et x3→0− donc −x31→+∞. Somme de deux limites +∞ : la limite est +∞.
9. Pour x→0− : −x3→+∞, donc 2−x3→+∞ et 2−x3→+∞.
10.1−5×(−3)=16≥0 : x→−3lim1−5x=16=4.
11.x−13x→+∞ (forme 0+3) et −1−x22=(x−1)(x+1)2→+∞ (forme 0+2). La somme tend vers +∞.
Exercice 2 — Formes indéterminées : factorisation, identités remarquables Facile★★☆☆☆
Calculer les limites suivantes :
x→−1+lim−x3+x2+5x+33x2+5x+2 ;
x→16limx−4x−16 ;
x→+∞lim(3x−2x) ;
x→0+lim(x21−x31) ;
x→2limx−2x2−4 ;
x→1lim3x2−x−2x2+2x−3 ;
x→3limx−3x−3x ;
x→3limx2−3xx−3 ;
x→2limx−2x3−8 ;
x→1limx2−1x2−3x+2 ;
x→1limx3−1x5−1 ;
x→0limx(3+x)3−27 ;
x→1+lim(x−1)2x2+2x−3 ;
x→0limx(x+1)3+(x−2)2−5 ;
x→3+limx3−5x2+3x+9x3−2x−21 ;
x→2limx2−5x+62x3−4x2−x+2 ;
x→+∞lim(3x−1−2x2+x+5) ;
x→−∞lim(5−x−x4+x).
Voir la solution
1. Forme 00. −1 est racine des deux polynômes : 3x2+5x+2=(x+1)(3x+2) et −x3+x2+5x+3=−(x+1)2(x−3). Pour x=−1 :
−x3+x2+5x+33x2+5x+2=−(x+1)(x−3)3x+2.
Quand x→−1+ : 3x+2→−1 et −(x+1)(x−3)→0+ (car x+1>0 et x−3<0). La limite est −∞.
2. Forme 00 ; pour x≥0, x=16 : x−16=(x−4)(x+4), donc la limite vaut limx→16(x+4)=8.
3. Forme ∞−∞. Pour x>0 : 3x−2x=x(3−x2) ; 3−x2→3 donc la limite est +∞.
4. Forme ∞−∞. x21−x31=x3x−1 : forme 0+−1, la limite est −∞.
5.x2−4=(x−2)(x+2) et x−2=(x−2)(x+2), d’où x−2x2−4=(x+2)(x+2)→4×22=82.
6.(x−1)(3x+2)(x−1)(x+3)=3x+2x+3→54.
7. Pour x>0 : x−3x=x(x−3) et x−3=(x−3)(x+3), donc l’expression vaut x+3x→233=21.
8.x(x−3)x−3=x(x+3)1→631=183.
9.x3−8=(x−2)(x2+2x+4), donc la limite vaut 4+4+4=12.
10.(x−1)(x+1)(x−1)(x−2)=x+1x−2→−21.
11.x5−1=(x−1)(x4+x3+x2+x+1) et x3−1=(x−1)(x2+x+1), donc la limite vaut 35.
12.(3+x)3−27=x((3+x)2+3(3+x)+9), donc la limite vaut 9+9+9=27.
13.(x−1)2(x−1)(x+3)=x−1x+3 : forme 0+4, la limite est +∞.
14.(x+1)3+(x−2)2−5=x3+4x2−x=x(x2+4x−1), donc la limite vaut −1.
15.x3−2x−21=(x−3)(x2+3x+7) et x3−5x2+3x+9=(x−3)2(x+1), donc pour x=3 l’expression vaut (x−3)(x+1)x2+3x+7 : forme 0+25, la limite est +∞.
16.2x3−4x2−x+2=2x2(x−2)−(x−2)=(x−2)(2x2−1) et x2−5x+6=(x−2)(x−3), donc la limite vaut −17=−7.
17. Forme ∞−∞. Pour x>31 : 3x−1−2x2+x+5=x2(x23x−1−2+x1+x25) ; or x23x−1=x43x−1→0, donc la parenthèse tend vers −2 et la limite est −∞.
18. Pour x<0 : 5−x−x4+x=x4(x85−x−1+x31), la parenthèse tend vers −1 : la limite est −∞.
Exercice 3 — Formes indéterminées : expression conjuguée Facile★★☆☆☆
Calculer les limites suivantes :
x→1limx−1x+8−3 ;
x→0limx4+x−4−x ;
x→2limx−22x+5−4x+1 ;
x→−1limx2+xx2+8−3 ;
x→3limx2+16−5x−3 ;
x→0limx2−xx+1−1 ;
x→3limx+6−35x+1−x+13 ;
x→2lim4x+1−3x+7−3 ;
x→1limx−13x−2−x2−x+1 ;
x→4lim2x+1−3x2−16 ;
x→3+limx−3x2−9+x−3 ;
x→4limx+12−4x+5−2x+1.
Voir la solution
Dans chaque cas la forme est 00 ; on multiplie par l’expression conjuguée (non nulle au voisinage du point).
Exercice 5 — Polynômes et fonctions rationnelles Facile★☆☆☆☆
Calculer les limites suivantes :
x→−∞lim(2x2−3x5+x) ;
x→+∞lim(−4x4+x3+2) ;
x→−2lim(x3+2x2−5) ;
x→+∞lim(3x4−x6+2x) ;
x→−∞limx3+4x−12x2−x+3 ;
x→+∞lim2x3+x2−75x3−x+2 ;
x→−∞lim3x−1x4+2x+1 ;
x→−∞lim2x2+1−4x3+x ;
x→−∞lim−3x4+x26x7−x3 ;
x→−∞lim6x4+2x3−13x4−4x ;
x→1lim(2x+1)2x2+3x ;
x→−21lim(2x+1)2x2+3x ;
x→−∞lim(2x+1)2x2+3x ;
x→+∞lim4x2+x+1x2+1.
Voir la solution
En ±∞, un polynôme a la même limite que son terme de plus haut degré, et une fraction rationnelle la même limite que le quotient des termes de plus haut degré.
18.3cosx+sinx=2cos(x−6π). Avec h=x−6π→0 : h2(cosh−1)=−2h⋅h21−cosh→0.
19. Avec h=x−6π : 2sin(h+6π)−1=3sinh+cosh−1, donc l’expression vaut 3hsinh−hh21−cosh→3.
20. Avec h=x−2π : sinx=cosh et π−2x=−2h : 4h21−cosh→81.
21. Avec h=x−4π : tanx−1=1−tanh1+tanh−1=1−tanh2tanh et 4x−π=4h : htanh⋅2(1−tanh)1→21.
Exercice 7 — Limites avec la partie entière Moyen★★★☆☆
On note E(x) la partie entière du réel x ; on rappelle que, pour tout x∈R, x−1<E(x)≤x. Calculer les limites suivantes :
x→+∞limxE(2x) ;
x→−∞lim(E(x)+cosx) ;
x→−∞limx3E(x1) ;
x→0+limxE(x1) ;
x→0−limx2+x3E(x)+(x−E(x))2 ;
x→+∞limxx−E(x) ;
x→0+limx2E(x2)−x2 ;
x→+∞limx2E(x2)+x ;
x→4+limx−E(x)x−2.
Voir la solution
1.2x−1<E(2x)≤2x ; pour x>0 : 2−x1<xE(2x)≤2. Par encadrement, la limite est 2.
2.E(x)+cosx≤x+1 et x+1→−∞ : la limite est −∞.
3. Pour x<−1 : x1∈]−1;0[, donc E(x1)=−1 et x3E(x1)=−x3→+∞.
4. Pour x>0 : x1−1<E(x1)≤x1, donc 1−x<xE(x1)≤1. Par encadrement, la limite est 1.
5. Pour x∈]−1;0[ : E(x)=−1, l’expression vaut x(x+1)−3+(x+1)2=x(x+1)x2+2x−2 : forme 0−−2, la limite est +∞.
6.0≤x−E(x)<1, donc 0≤xx−E(x)≤x1 pour x>0 : la limite est 0.
7. Pour 0<x<1 : E(x2)=0, l’expression vaut −1 : la limite est −1.
8.x2−1<E(x2)≤x2 donc 1+x1−x21<x2E(x2)+x≤1+x1 : la limite est 1.
9. Pour 4<x<5 : E(x)=4, l’expression vaut x−4x−2=x+21→41.
Exercice 8 — Définition mathématique de la limite Difficile★★★★☆
En revenant à la définition mathématique de la limite (avec ε, α, A, B), montrer que :
x→2limx+33x−1=1 ;
x→−∞limx+33x−1=3 ;
x→−∞limx−3x2+1=−∞ ;
x→(−3)+limx+31−2x=+∞.
Voir la solution
1. Soit ε>0. Pour x=−3 : x+33x−1−1=∣x+3∣2∣x−2∣. Si ∣x−2∣<1, alors x+3>4, d’où ∣f(x)−1∣<2∣x−2∣. On pose α=min(1;2ε) : pour tout x tel que ∣x−2∣<α, on a ∣f(x)−1∣<2α≤ε. Donc limx→2f(x)=1.
2. Soit ε>0. Pour x<−3 : ∣f(x)−3∣=∣x+3∣10=−x−310. On pose B=3+ε10 ; si x<−B, alors −x−3>ε10, donc ∣f(x)−3∣<ε.
3. Soit A>0. Pour x≤−3 : 0<3−x≤−2x, donc 3−xx2+1≥−2xx2=−2x, c’est-à-dire f(x)≤2x. On pose B=max(3;2A) : si x<−B, alors f(x)≤2x<−A.
4. Soit A>0. Pour −3<x<−2 : 1−2x>5 et x+3>0, donc f(x)>x+35. On pose α=min(1;A5) : si 0<x+3<α, alors x+35>α5≥A, donc f(x)>A.
Exercice 9 — Lecture graphique de limites Facile★★☆☆☆
La courbe (Cf) ci-dessous est celle d’une fonction f définie sur R∗. On donne de plus les informations suivantes :
x→+∞limf(x)=2 (la courbe se rapproche de la droite d’équation y=2 au voisinage de +∞) ;
x→−∞lim(f(x)−(2x−1))=0 (la courbe se rapproche de la droite (D):y=2x−1 au voisinage de −∞) ;
la courbe « monte » ou « descend » indéfiniment le long de l’axe des ordonnées, comme sur la figure.
Par lecture graphique et à l’aide des informations précédentes, déterminer : x→+∞limf(x), x→−∞limf(x), x→0+limf(x), x→0−limf(x), x→−∞limxf(x), x→−∞lim(f(x)−2x), x→+∞limxf(x)−2 et x→+∞limxf(x).
Résoudre graphiquement, dans R∗, les équations f(x)=0 et f(x)=−2.
Déterminer graphiquement le nombre de solutions dans R∗ de l’équation f(x)=3.
On considère la fonction g définie par g(x)=f(x).
a. Déterminer graphiquement l’ensemble de définition Dg de g.
b. Déterminer x→+∞limg(x), x→0−limg(x) et x→+∞limxg(x).
2. La courbe coupe l’axe des abscisses en x=−21 et x=1 : S={−21;1}. Elle coupe la droite y=−2 en x=−1 et x=21 : S={−1;21}.
3. Sur ]0;+∞[, la courbe reste sous la droite y=2 : pas de solution. Sur ]−∞;0[, la courbe monte de −∞ à +∞ et coupe une seule fois la droite y=3 : l’équation a une solution.
4. a.g(x) existe si et seulement si f(x)≥0 : Dg=[−21;0[∪[1;+∞[.
Exercice 10 — Fonction définie par morceaux — encadrement Moyen★★★☆☆
On considère la fonction f définie sur R par :
f(x)=x+32x−4x2+1 si x≥0etf(x)=xsinx−3+cosx si x<0.
Calculer x→+∞limf(x).
Calculer x→0+limf(x) et x→0−limf(x). La fonction f admet-elle une limite en 0 ? Justifier.
a. Montrer que, pour tout x∈]−∞;0[, ∣f(x)∣≤∣x∣3.
b. En déduire x→−∞limf(x).
Voir la solution
1. Pour x>0 : f(x)=x(1+x3)x(x2−4+x21)→10−2=−2.
2.lim0+f(x)=30−1=−31 (forme déterminée). Pour x→0− : sinx−3+cosx→−2 et x→0− : forme 0−−2, donc lim0−f=+∞. Les limites à droite et à gauche sont différentes : f n’admet pas de limite en 0.
3. a. Soit x<0. ∣sinx∣≤1 et 0≤3+cosx≤4=2, donc par l’inégalité triangulaire sinx−3+cosx≤3, d’où ∣f(x)∣≤∣x∣3.
3. b.∣x∣3→0 quand x→−∞ ; d’après la propriété « limite et ordre », lim−∞f=0.
Exercice 11 — Une limite paramétrée par nDifficile★★★★☆
Montrer que, pour tout n∈N∗, x→1limx−1xn−1=n.
En déduire que, pour tout n∈N∗, x→1limsin(2x−2)∑k=1nxk−n=4n(n+1).
Voir la solution
1. Soit n∈N∗. Pour x=1 : xn−1=(x−1)(xn−1+xn−2+⋯+x+1), donc x−1xn−1=∑k=0n−1xk, polynôme dont la limite en 1 est ∑k=0n−11=n.
2.∑k=1nxk−n=∑k=1n(xk−1). Pour x voisin de 1, x=1 :
sin(2x−2)∑k=1nxk−n=(∑k=1nx−1xk−1)⋅sin(2x−2)2x−2⋅21.
D’après 1 la somme tend vers ∑k=1nk=2n(n+1) ; avec X=2x−2→0, sinXX→1. La limite est 4n(n+1).
Exercice 12 — Fonction définie par morceaux — domaine et limites Moyen★★★☆☆
On considère la fonction f définie par :
f(x)=3−x+8x−1 si x>1etf(x)=x2+x−21−x si x<1.
Montrer que l’ensemble de définition de f est Df=]−∞;−2[∪]−2;1[∪]1;+∞[.
Calculer x→+∞limf(x) et x→−∞limf(x).
Calculer x→1+limf(x) et x→1−limf(x). Que peut-on conclure ?
Étudier la limite de f en −2.
Voir la solution
1. Pour x>1 : x et x+8 existent et x+8>3, donc 3−x+8=0 : f(x) existe. Pour x<1 : 1−x>0 et x2+x−2=(x−1)(x+2) s’annule seulement pour x=−2 (et x=1, exclu). En x=1, f n’est pas définie. Donc Df=]−∞;−2[∪]−2;1[∪]1;+∞[.
2. En +∞ : on divise par x : f(x)=x3−1+x81−x1→−1. En −∞ : f(x)=x21−x⋅1+x1−x221 et x21−x=x41−x→0 : la limite est 0.
3. Pour x>1 : f(x)=x+1x−1⋅1−x3+x+8=−x+13+x+8→−3. Pour x<1, x=−2 : f(x)=(x−1)(x+2)1−x=1−x(x+2)−1 : forme 0+−1, lim1−f=−∞. Les deux limites sont différentes : f n’a pas de limite en 1.
4.1−x→3 et (x−1)(x+2) tend vers 0− quand x→−2+ et vers 0+ quand x→−2−. Donc lim−2+f=−∞ et lim−2−f=+∞ : f n’a pas de limite en −2.
Exercice 13 — Partie entière et encadrement Moyen★★★☆☆
On considère la fonction f définie sur R par f(x)=x2+1xE(2x)+1.
a. Montrer que, pour tout x∈]0;+∞[ : x2+12x2−x+1<f(x)≤x2+12x2+1.
b. En déduire x→+∞limf(x).
Déterminer x→−∞limf(x).
Voir la solution
1. a. Soit x>0. On a 2x−1<E(2x)≤2x ; en multipliant par x>0 : 2x2−x<xE(2x)≤2x2, puis en ajoutant 1 et en divisant par x2+1>0 on obtient l’encadrement demandé.
1. b. Les deux fractions encadrantes tendent vers 2 en +∞ ; d’après la propriété des gendarmes, lim+∞f=2.
2. Soit x<0 : en multipliant 2x−1<E(2x)≤2x par x<0, l’ordre change : 2x2≤xE(2x)<2x2−x, d’où x2+12x2+1≤f(x)<x2+12x2−x+1. Les deux bornes tendent vers 2 : lim−∞f=2.
Exercice 14 — Limites variées (changement de variable) Difficile★★★★☆
Calculer les limites suivantes :
x→1lim(x−1)tan(2πx) ;
x→+∞limx2+4x+1−x2027 ;
x→−1limx2−2x−32−x+5 ;
x→−4limx2+x−12xx+5+4 ;
x→+∞lim(1−4x2)tan(x2+3π) ;
x→1limx2−13−3(2x−1)5.
Voir la solution
1. On pose h=x−1→0 : tan(2π+2πh)=−tan2πh1, donc (x−1)tan2πx=−π2⋅tan2πh2πh→−π2.
2.x2+4x+1−x=x2+4x+1+x4x+1=1+x4+x21+14+x1→2 ; la limite vaut 22027.
3.2−x+5=2+x+5−(x+1) et x2−2x−3=(x+1)(x−3), donc l’expression vaut (2+x+5)(x−3)−1→4×(−4)−1=161.
4.xx+5+4=xx+5−4x2(x+5)−16=xx+5−4(x+4)(x2+x−4) et x2+x−12=(x+4)(x−3). La limite vaut (−4−4)(−7)16−4−4=568=71.
5. On pose u=x2+3π→0 : (1−4x2)tanu=x2+3π(1−4x2)⋅utanu→−4π×1=−4π.
6. On pose a=2x−1, a−1=2(x−1) : 3−3a5=−3(a−1)(a4+a3+a2+a+1)=−6(x−1)(a4+⋯+1). L’expression vaut x+1−6(a4+a3+a2+a+1)→2−6×5=−15.
Exercice 15 — Récurrence et limites trigonométriques Difficile★★★★★
Soit a∈]0;+∞[.
Montrer par récurrence que, pour tout n∈N∗ : x→0limx21−cosn(ax)=2na2.
En déduire x→0lim1−cos(2x)1−cos4(2x).
Voir la solution
1.Raisonnement par récurrence. Pour n∈N∗, soit P(n) : « x→0limx21−cosn(ax)=2na2 ».
Initialisation : pour n=1, on a x21−cos(ax)=a2⋅(ax)21−cos(ax)→2a2. Donc P(1) est vraie.
Hérédité : soit n∈N∗, on suppose que P(n) est vraie (hypothèse de récurrence), montrons que P(n+1) est vraie. On a
1−cosn+1(ax)=(1−cosn(ax))+cosn(ax)(1−cos(ax)),
donc x21−cosn+1(ax)=x21−cosn(ax)+cosn(ax)⋅x21−cos(ax)→2na2+1×2a2=2(n+1)a2. Donc P(n+1) est vraie.
Conclusion : d’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N∗, limx→0x21−cosn(ax)=2na2.
2.1−cos2x1−cos4(2x)=x21−cos4(2x)⋅1−cos2xx2. D’après 1 (avec n=4, a=2) le premier facteur tend vers 8 ; d’après 1 (avec n=1, a=21) x21−cos2x→81. La limite vaut 8×8=64.